CN109494717A - 可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法和系统，包括获得与具有发电机组的电力系统连接的一条补偿线路和N条非补偿线路；分别计算发电机组和其中一个非补偿线路之间的等效电抗、以及该非补偿线路和其他非补偿线路之间的等效电抗，并将计算得到的数据表征为向量集合；根据步骤2获得的向量集合计算出每个向量的数值，并根据向量的数值计算得到与各发电机对应的串补作用系数CIFk；根据计算得到的CIFk值判断其是否在设定的阈值范围内，将符合条件的CIFk值对应的向量筛选出来组成安全短路容量区间。本发明在不同短路容量条件下利用串补系数作用法计算系统各发电机的SSR风险。

Description

可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法和系统
技术领域
本发明涉及电力系统运行和控制技术领域，具体的说涉及一种可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法和系统。
背景技术
串联补偿是一种广泛应用的输电技术，可经济高效地提高系统输电容量和暂态稳定性。然而，火电机组的轴系与串联补偿电容器间存在交换次同步频率下能量的可能，即引发次同步谐振(SSR)问题。抑制次同步振荡问题可以从加强交流网架结构入手，这是因为改变网架结构可以改变系统的谐振频率和SSR阻尼特性。由于系统交流母线电气强度由其等效短路容量体现，因此在系统规划阶段可以通过计算安全短路容量来避免SSR问题。
目前已有的次同步谐振分析方法需要复杂的计算过程和发电机的详细参数，并不适用于系统规划阶段。例如，频率扫描法可快速确定系统谐振频率。但对每台待分析发电机，频率扫描法都需要先建立等效分析模型后再进行系统扫描计算。特征值法和测试信号法需要发电机及其轴系模型的详细参数且计算量大。随着系统规模和发电机数量的增加，上述两种方法的计算量会急剧增加，应用十分不便。CIF(compensation impact factor，CIF)使用发电机的等效电源模型，计算时仅需发电机容量和电压就可得出每台发电机的CIF值。再通过阈值判断即可确定该发电机是否具有SSR风险。CIF仅需要简单的计算过程且无需发电机轴系的参数。因此，在系统规划阶段，此方法可用于确定交流母线安全等效短路容量，从而避免SSR问题。
发明内容
鉴于以上所述的技术问题，本发明实施例提供了一种可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法和系统，可在规划阶段显著降低系统次同步谐振(sub-synchronousresonance，SSR)风险。
可避免次同步谐振风险的系统安全短路容量快速筛选方法，包括：
步骤1：获得与具有发电机组的电力系统连接的一条补偿线路和N条非补偿线路；
步骤2：分别计算发电机组和其中一个非补偿线路之间的等效电抗XG-Si、以及该非补偿线路和其他非补偿线路之间的等效电抗XSi-j，并将计算得到的数据表征为向量集合XSYS，其中XSYS表示为：
其中k＝1，2，3...m，m是发电机的数量。
步骤3：根据步骤2获得的向量集合XSYS计算出每个向量的数值，并根据向量的数值计算得到与各发电机对应的串补作用系数CIFk，并表示为：
其中PC是补偿线路上流过的有功功率，而PUC-1到PUC-N分别表示每条非补偿线路上流过的有功功率；
步骤4：根据计算得到的CIFk值判断其是否在设定的阈值TCIF范围内，将符合条件的CIFk值对应的向量筛选出来组成安全短路容量区间。
可选择地，步骤4中包括：
根据发电机的数量m、非补偿线路的数量N和向量集合XSYS计算出维度为w的XSYS(i，j，k)；
计算出对应的w台发电机的CIF值，如果计算出的所有CIF值均低于阈值TCIF，则由w个XSYS个组成的相量XSYS(i，j，k)是安全电抗XSYS-sty；反之，则不是XSYS-sty。
如果w小于W，则令w＝w+1，重新计算出w个XSYS的数值，再计算每台发电机对应的串补作用系数，并判断此时的XSYS(i，j，k)是否是安全电抗XSYS-sty；若w≥W时，计算停止；
经过上述步骤筛选出来的XSYS-sty值，组成安全电抗区间[XSYS-sty]，从而形成安全短路容量区间[1/XSYS-sty]，阈值TCIF为0.2。
可避免次同步谐振风险的系统安全短路容量快速筛选系统，包括记载和/或执行上述筛选方法的计算机硬件设备。
本发明在不同短路容量条件下利用串补系数作用法(CIF)计算系统各发电机的SSR风险。再利用CIF门槛值筛选出不具备SSR风险的系统短路容量，从而为系统得出没有SSR风险的安全短路容量。由于CIF方法计算时需要的信息量极少，因此本申请提出的筛选方法适用于电网规划阶段。
附图说明
从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明，其中：
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
附图1是计算发电机CIF值示意图；
附图2是获得安全电抗的流程图；
附图3是测试系统的电路图；
附图4是不同系统工况下的CIF值的示意图，其中图4(a)是当Xeq2＝0.1，0.3，0.5p.u时的CIF值；图4(b)是当Xeq1＝0.1，0.3，0.5p.u时的CIF值；图4(c)是当Xtr＝0.2，0.6，0.8p.u时的CIF值；
附图5是SSR测试的效果图，其中图5(a)是发电机终端电压的频谱分析；图5(b)是阻尼特性；图5(c)是高压和中压气缸之间的扭矩。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
现在将参考地描述示例实施方式，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本发明的主要技术创意。
如图1-2所示，可避免次同步谐振风险的系统安全短路容量快速筛选方法，包括：
步骤1：获得与具有发电机组的电力系统连接的一条补偿线路和N条非补偿线路；
步骤2：分别计算发电机组和其中一个非补偿线路之间的等效电抗XG-Si、以及该非补偿线路和其他非补偿线路之间的等效电抗XSi-j，并将计算得到的数据表征为向量集合XSYS，其中XSYS表示为：
其中k＝1，2，3...m，m是发电机的数量。
步骤3：根据步骤2获得的向量集合XSYS计算出每个向量的数值，并根据向量的数值计算得到与各发电机对应的串补作用系数CIFk，并表示为：
其中PC是补偿线路上流过的有功功率，而PUC-1到PUC-N分别表示每条非补偿线路上流过的有功功率；
步骤4：根据计算得到的CIFk值判断其是否在设定的阈值TCIF范围内，将符合条件的CIFk值对应的向量筛选出来组成安全短路容量区间。
可选择地，步骤4中包括：
根据发电机的数量m、非补偿线路的数量N和向量集合XSYS计算出维度为w的XSYS(i，j，k)；
计算出对应的w台发电机的CIF值，如果计算出的所有CIF值均低于阈值TCIF，则由w个XSYS个组成的相量XSYS(i，j，k)是安全电抗XSYS-sty；反之，则不是XSYS-sty。
如果w小于W，则令w＝w+1，重新计算出w个XSYS的数值，再计算每台发电机对应的串补作用系数，并判断此时的XSYS(i，j，k)是否是安全电抗XSYS-sty；若w≥W时，计算停止；
经过上述步骤筛选出来的XSYS-sty值，组成安全电抗区间[XSYS-sty]，从而形成安全短路容量区间[1/XSYS-sty]，阈值TCIF为0.2。
可避免次同步谐振风险的系统安全短路容量快速筛选系统，包括记载和/或执行上述筛选方法的计算机硬件设备。
测试本发明提出的方法采用串补系数作用法(compensation impact factor，CIF)，能快速筛选可避免次同步谐振(SSR)风险的系统安全短路容量。
首先，采用附图3所示系统为测试系统，给出测试系统的参数。附图3中的系统包含一条串补和非串补线路。G和T分别代表发电机及其升压变压器。S1和S2是两个等效的交流系统，它们通过等效电抗Xeq1和Xeq2与母线2和母线3相连。电抗Xtr表示母线2和母线3之间的电气强度。Ptr表示流经Xtr的有功功率。R1，XL1和XC分别表示串补线路的电阻、电感阻抗和电容阻抗。R2和XL2表示非串补线路的电阻和电感电抗。P1和P2分别表示流过串补和非串补线路的有功功率。如式(2)所示，Xeq1和Xeq2属于XG-Si，Xtr属于XSi-j。母线2处施加三相接地故障来提供次同步频率下的扰动能量。
表1列出了测试系统的参数。表2中(Xeq1，Xeq2，Xtr)构成了XSYS。如表2所示，当(Xeq1，Xeq2，Xtr)变化时，图3所示系统的工况点发生变化。(Xeq1，Xeq2，Xtr)的变化步长为0.01p.u。
表1测试系统参数
注:SB＝892.4MVA，VB＝539kV。
表2(Xeq1，Xeq2，Xtr)的变化范围
Parameter X<sub>eq1</sub>(pu) X<sub>eq2</sub>(pu) X<sub>tr</sub>(pu)
Range 0～0.5 0～0.5 0～1
注:SB＝892.4MVA，VB＝539kV。
然后，计算安全电抗。计算表2中每个(Xeq1，Xeq2，Xtr)点对应系统工况下的发电机CIF值。当CIF<TCIF＝0.2时，相应的(Xeq1，Xeq2，Xtr)点是附图2中的安全电抗XSYS-sty。
附图4给出了不同(Xeq1，Xeq2，Xtr)点对应的CIF。图中的颜色栏与CIF的值相对应，蓝色区域中的(Xeq1，Xeq2，Xtr)属于XSYS-sty。为方便观察，附图4中仅展示了全部计算结果的部门断面，其他断面的计算结果与图4中所展示的断面结果相似。
如附图4(a)所示，当Xeq2一定，Xeq1和Xtr的值越低则发电机的CIF值越低。这说明，母线1和母线2之间以及母线2和母线3之间等效电抗越小(电气联系越强)则有助于消除SSR风险。当Xeq2变大时，XSYS-sty的面积减小。这说明系统SSR风险加剧。
附图4(b)说明，当Xeq1一定，Xeq2和Xtr的值越低则发电机的CIF值越低。因此，母线1与母线3之间以及母线2与母线3电抗越小(电气联系越强)越有助于降低SSR风险。对比图4(a)和图4(b)可以发现相较于Xeq2的变化，XSYS-sty面积变化对Xeq1的变化更为灵敏。
附图4(c)表明，当Xtr一定，Xeq1和Xeq2的值越低则会导致发电机CIF值越低。因此，母线1和母线2之间以及母线1和母线3之间电抗越小(电气联系越强)则具备较低SSR风险。当Xtr从0.2增加到0.6时，XSYS-sty的面积明显减小。但是，当Xtr继续不断增加时，XSYS-sty的面积并没有明显变化。
因此，交流母线间具备较强的电气联系有助于消除SSR风险。附图4计算结果中，蓝色区域的电抗值构成安全电抗区间，从而构成安全短路容量区间。系统规划阶段，交流母线的短路容量应从这个区间中选择，从而避免SSR风险。
接着，进行SSR测试。在附图4中选择3个不同颜色区域的(Xeq1，Xeq2，Xtr)点来验证安全电抗区间的正确性，如表3所示。表3中，位于工况1～3的三个CIF值分别小于、接近和大于CIF阀值(TCIF＝0.2)。附图5通过发电机机端电压频谱分析、系统阻尼特性和发电机轴系相对扭矩来证明安全短路容量区间的正确性。
表3不同工况下的CIF值
附图5(a)进行了不同工况下发电机机端电压频谱分析。可以看出在工况1中，机端电压没有次同步频率下的分量，而工况2和3的机端电压出现了频率为26.5Hz的扰动分量。这说明当(Xeq1，Xeq2，Xtr)点为XSYS-sty时，发电机机端不存在次同步频率下的扰动分量，系统不存在SSR风险。
附图5(b)给出了三种工况下的系统次同步频域阻尼特性。在23.5Hz时，工况1的系统阻尼是正的，而其他工况下的该频段的阻尼是负的。这说明，当系统选用安全短路容量时，次同步频率下的阻尼为正，系统不存在SSR风险。当CIF接近或大于阈值时，系统阻尼接近0或为负，系统存在等幅振荡或发散振荡风险。
附图5(c)通过相对扭矩展示了三种工况下的SSR时域仿真。在工况1中没有发生SSR，这是因为工况1处于安全短路容量区间，系统阻尼为正，次同步频率下扰动无法传递到发电机侧。工况2和3显示等幅和发散振荡现象，这说明系统存在弱阻尼和负阻尼，次同步频率下的扰动具备传递到发电机侧的可能，SSR发生。
因此，附图5可以看出本文所提出的方法能够准确找出安全电抗区间，有效帮助系统避免SSR风险。
以上所述，本文提出的快速筛选可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法，可有效协助系统避免SSR风险且计算简单、需要的信息量少，适合用于系统规划阶段。首先，计算不同工况下系统发电机的CIF值。然后判断若系统所有发电机的CIF均小于其门槛值，则系统不存在SSR风险且该工况下的短路容量属于安全短路容量。系统规划阶段应采用安全短路容量来避免SSR问题。
交流母线之间的电抗越小(电气联系越强)，XSYS-sty的面积越大。这说明强电气联系系统有助于抑制次同步振荡问题。因此，在规划阶段建议加强各交流母线电气联系以避免SSR风险。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法，其特征在于，包括：
步骤1：获得与具有发电机组的电力系统连接的一条补偿线路和N条非补偿线路；
步骤2：分别计算发电机组和其中一个非补偿线路之间的等效电抗XG-Si、以及该非补偿线路和其他非补偿线路之间的等效电抗XSi-j，并将计算得到的数据表征为向量集合XSYS，其中XSYS表示为：
其中k＝1，2，3...m，m是发电机的数量；
步骤3：根据步骤2获得的向量集合XSYS计算出每个向量的数值，并根据向量的数值计算得到与各发电机对应的串补作用系数CIFk，并表示为：
其中PC是补偿线路上流过的有功功率，而PUC-1到PUC-N分别表示每条非补偿线路上流过的有功功率；
步骤4：根据计算得到的CIFk值判断其是否在设定的阈值TCIF范围内，将符合条件的CIFk值对应的向量筛选出来组成安全短路容量区间。
2.如权利要求1所述的可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法，其特征在于，
步骤4中包括：
根据发电机的数量m、非补偿线路的数量N和向量集合XSYS计算出维度为w 的XSYS(i，j，k)；
计算出对应的w台发电机的CIF值，如果计算出的所有CIF值均低于阈值TCIF，则由w个XSYS个组成的相量XSYS(i，j，k)是安全电抗XSYS-sty；反之，则不是XSYS-sty。
如果w小于W，则令w＝w+1，重新计算出w个XSYS的数值，再计算每台发电机对应的串补作用系数，并判断此时的XSYS(i，j，k)是否是安全电抗XSYS-sty；若w≥W时，计算停止；
经过上述步骤筛选出来的XSYS-sty值，组成安全电抗区间[XSYS-sty]，从而形成安全短路容量区间[1/XSYS-stySYS-sty] 。
3.如权利要求1所述的可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选方法，其特征在于，
阈值TCIF为0.2。
4.可避免次同步谐振风险的安全短路容量筛选系统，其特征在于，包括记载和/或执行上述筛选方法的计算机硬件设备。
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